바이오테크
표적 약물 전달이 새로운 음파 기술로 혜택을 받을 수 있다
접촉 없이 물체 이동
현대 과학은 물체를 접촉하지 않고 이동시키는 방법을 발견했습니다. 이는 처음에 빛을 이용하는 소위 광학 트위저(optical tweezers)로 이루어졌으며, 곧 소리를 이용하는 음향 트위저(acoustic tweezers)로 복제되었습니다.
음향 트위저는 대부분의 물질을 관통할 수 있기 때문에 특별히 주목받습니다. 넓은 주파수 범위 덕분에 개별 세포부터 복잡한 물체까지 다양한 크기의 대상들을 조작할 수 있습니다. 또한 생물학적 조직에 해롭지 않습니다.
이러한 이유로 음향 트위저는 수술부터 약물 전달까지 광범위한 응용 가능성을 가질 수 있습니다. 그러나 지금까지 살아있는 몸과 같은 복잡한 환경에서 정밀한 제어가 어려웠습니다.
이 상황은 스위스 EPFL과 오스트리아 비엔나 공과대학 연구진이 Nature Physics에 발표한 새로운 발견 덕분에 변화하고 있습니다.
음파를 이용한 밀기
연구팀은 ‘파동-운동량 형성(wave‑momentum shaping)’이라고 불리는 새로운 방법으로 음향 트위저를 만들었습니다. 이 기술은 복잡한 환경에서도 빛을 이용해 조직하는 새로운 방식을 음파에 적용한 것입니다.
본질적으로, 이 방법은 먼저 장애물의 산란 효과를 매트릭스 구조(아래 오른쪽)로 ‘맵핑’하여, 경로상의 장애물이 있더라도 트위저를 어떻게 사용할지 결정할 수 있게 합니다.
이 산란 매트릭스는 물체가 움직이는 동안 실시간으로 변하며, 이를 실시간으로 업데이트하는 것이 연구진이 복잡한 수학적 도구를 사용해 달성한 주요 성과 중 하나였습니다.
출처: Nature
이것은 음향 트위저의 작동 방식을 바꿉니다. 일반적으로 이 방법은 물체를 한 지점에 가두지만, 여기서는 음파가 퍽을 밀어내는 하키 스틱처럼 부드럽게 물체를 밀어 이동시킵니다.
이 방법은 구형 물체뿐 아니라 보다 복잡한 형태에도 적용됩니다. 회전도 제어할 수 있어 가능한 움직임에 더 큰 유연성을 제공합니다. 대상이 자성이 있거나 특별히 저항성이 있을 필요 없이 사실상 모든 재료에 적용할 수 있습니다.
출처: Nature
가능한 응용 분야
의료 및 바이오테크
수술 없이 전신에 직접 치료를 제공할 가능성은 매우 흥미롭습니다. 특히 암 치료에 적용하면 약물을 종양 내부에 직접 전달함으로써 효율을 크게 높일 수 있습니다.
“일부 약물 전달 방법은 이미 음파를 이용해 캡슐화된 약물을 방출하고 있으므로, 이 기술은 약물을 종양 세포로 직접 밀어넣는 데 특히 매력적입니다”
마찬가지로, 조직을 직접 접촉하지 않고 생물학적 분석 및 샘플 채취를 수행할 수 있어 절차로 인한 오염이나 손상 위험을 줄일 수 있습니다.
마지막으로, 조직 공학이나 3D 바이오프린팅에도 활용될 수 있습니다. 절단 없이 조작을 허용함으로써 보다 복잡한 설계가 가능해져, 주문형 장기 제작이라는 꿈에 한 걸음 더 다가갈 수 있습니다.
제조
모든 방향으로 자유롭게 움직이는 작은 입자는 3D 프린팅이 추구하는 바로 그 목표와 일치합니다.
이러한 관점에서 음향 트위저는 기존 적층 제조 기술에 추가할 수 있는 새로운 방법이 될 수 있으며, 입자를 고체 물체로 결합되기 전에 배열할 수 있습니다.
직접적인 조작이 불가능한 경우에도 별개의 부품을 조립하는 데 활용될 수 있습니다.
처음이 아닌가?
우리는 이미 “Acoustic Energy Emitters May Soon Eliminate the Need for Incision During Surgery”(음향 에너지 방출기가 수술 중 절개 필요성을 곧 없앨 수 있다)라는 기사에서 유사 기술을 다루었습니다.
그 기사에서는 다른 유형의 광학 트위저가 유사한 결과를 달성할 수 있는 방법을 설명했습니다. 그 경우 초점은 절개 없이 수술을 수행하고 몸 안의 작은 물체를 이동시키는 데 있었습니다.
하지만 이는 물체를 한 지점에 고정시키는 ‘고전적인’ 광학 트위저에 더 가깝습니다.
두 경우 모두 음향 트위저는 기본 과학 분야에서 큰 진전을 이루고 있습니다. 초음파 영상을 통한 실시간 수술이든, 매우 정밀한 밀기 시스템과 최신 산란 매트릭스를 활용해 목표 움직임을 정확히 유지하든 말입니다.
따라서 이제 이러한 기술이 표준화되고 상용화되는 단계에 들어가야 하며, 새로운 혁신적 치료법을 촉진하고 기존 치료법의 효율성을 높이는 데 기여할 것입니다.
3D 조작 기업
가장 진보된 로봇 수술 시스템 중 하나가 Intuitive Surgical(ISRG)에서 판매되고 있지만, 이 회사는 초음파나 내시경 분야에서는 경쟁사보다 전문성이 낮습니다. 따라서 음향 트위저의 최초 실제 의료 적용은 로봇이나 수술 도구 등 다양한 의료기기 시스템을 통합하는 데 능숙한 의료기기 기업에서 나올 가능성이 높습니다.
또는 음향 트위저의 발전은 3D 프린팅 및 바이오프린팅으로부터 큰 혜택을 받을 수 있으므로, 이 분야의 선도 기업도 이점을 얻을 수 있습니다.
1. Medtronic plc
(MDT )
Medtronic은 특히 수술 및 중환자 치료 분야에서 의료기기 선두 기업입니다. 다른 부문도 연관될 수 있지만, Medtronic의 의료 수술 부문은 전체 77억 달러 중 21억 달러의 매출을 차지합니다.
출처: Medtronic
이 회사는 2022년 27억 달러의 R&D 예산 비중이 높고, 2022년에 9건, 2023년에 추가로 33억 달러 규모의 인수를 고려하는 등 유기적 성장과 인수를 통해 성장해 왔습니다.
Medtronic은 보다 간단하고 저비용의 로봇 수술에 대한 거대한 기회를 보고 있습니다:
“전 세계 수술의 단 2%만이 로봇의 도움을 받고 있습니다. 비용과 활용 부담 때문에 오늘은 아니지만, 로봇 보조 수술이 필요한 경우가 98%에 달합니다”
이러한 전략을 바탕으로 Medtronic은 Hugo 시스템을 개발했습니다.
출처: Medtronic
또한 2018년 12월에 Mazor Robotics를 17억 달러에 인수함으로써 Mazor X Stealth 척추 로봇 보조 수술 장치를 판매하고 있습니다.
전반적으로 Medtronic의 뛰어난 평판과 거의 모든 병원에 최소한 일부 장비가 존재한다는 점은 내부 개발이나 인수를 통해 신흥 로봇 수술 시장의 견고한 부분을 차지할 좋은 진입점을 제공합니다.
또한 이미 내시경 초음파 시스템을 판매하고 있으며, 심장학 분야에서의 존재감은 음향 트위저 기술을 심혈관 치료 및 수술에 적용하는 데 도움이 될 수 있습니다.
2. Cyfuse Biomedical K.K.
(T )
이 일본 기업은 2010년에 설립되어 2013년에 연구자들에게 3D 프린터를 판매하기 시작했습니다.
그들의 초점은 인공 스캐폴드 없이 오직 세포만으로 조직과 장기를 생산하는 것으로, S‑Spike 플랫폼을 통해 이를 구현합니다. 이는 야심찬 목표이지만, 시간이 지나면서 채택될 3D 바이오프린팅의 최종 형태이기도 합니다.
스캐폴드가 없으면 원래 장기에 최대한 가깝게 “프리미엄” 장기를 생산하는 데 핵심이 될 수 있습니다. 현재 이 기술은 한 번에 2~3cm 크기의 장기 조각만 3D 프린팅할 수 있습니다.
이 기업은 관절, 간, 신경, 혈관 네 가지 분야를 목표로 합니다. 또한 외과 의사가 환자의 생명을 위험에 빠뜨리지 않고 학습할 수 있도록 “훈련용” 장기를 만드는 데 활용될 수도 있습니다.
Cyfuse는 현재(2021년 잠시 수익을 본 뒤) 아직 수익을 내지 못하고 있지만 이미 수백만 달러 규모의 매출을 기록하고 있습니다.
이 회사는 환자 투자자를 대상으로 하며, 이 기술이 보다 주류가 되고 한 번에 전체 장기를 하나의 블록으로 만들 수 있을 정도로 발전할 것을 기대하고 있습니다.
그 관점에서 보면, 고급 음향 트위저는 더 복잡하고 큰 장기를 조립하는 단계가 부족할 수 있습니다.
